Un estudio del CITENI permite medir directamente y por primera vez cómo cristalizan en décimas de segundo los polímeros semiconductores
Un estudio del CITENI permite medir directamente y por primera vez cómo cristalizan en décimas de segundo los polímeros semiconductores
El trabajo, publicado en Journal of the American Chemical Society, desarrolla una metodología que permite medir en un único experimento un proceso clave para fabricar materiales destinados a la electrónica orgánica y las células solares
Un equipo internacional liderado por personal investigador de la Universidade da Coruña ha conseguido medir directamente y en un único paso la cristalización de polímeros semiconductores en escalas de tiempo inferiores al segundo, un proceso que hasta ahora resultaba muy difícil de estudiar con las técnicas convencionales.
La investigación, publicada en el Journal of the American Chemical Society (JACS) bajo el título «Understanding the Ultrafast Crystallization Kinetics of Donor–Acceptor Semiconducting Polymers», forma parte de la tesis doctoral que Josep Tent desarrolla en el Laboratorio de Polímeros Funcionales del Centro de Investigación en Tecnologías Navales e Industriales (CITENI) bajo la supervisión del investigador Oportunius Jaime Martín.
El estudio presenta una metodología basada en la calorimetría de barrido rápido (Fast Scanning Calorimetry, FSC), que permite medir cómo estos materiales pasan del estado fundido a un estado cristalino. La principal dificultad es la enorme rapidez del proceso: en las condiciones estudiadas, la cristalización puede completarse en menos de una décima de segundo.
De reconstruir el proceso a medirlo directamente
Hasta ahora, era necesario realizar varios experimentos y analizar el material en diferentes momentos del proceso para conocer cómo avanzaba la cristalización. La nueva metodología permite hacer algo diferente: registrar de forma inmediata el proceso mientras ocurre y obtener toda la información en un único experimento.
«Hasta ahora sabíamos que estos materiales podían cristalizar muy rápido, pero no podíamos estudiar directamente y con suficiente detalle lo que ocurría durante ese proceso», explica Josep Tent. «La metodología que hemos desarrollado nos permite seguir la evolución de la cristalización mientras está ocurriendo».
La rapidez del proceso es especialmente llamativa: en el caso del polímero PTQ10, la cristalización se produce en solo 0,025 segundos. En los experimentos realizados, el proceso completo dura menos de una décima de segundo.
La temperatura determina cómo se organizan las moléculas
El trabajo analiza dos polímeros semiconductores, PTQ10 y D18, y muestra que la temperatura influye en la forma en que se organizan sus moléculas. En el PTQ10, se produce un cambio alrededor de los 341 °C, mientras que en el D18 tiene lugar en torno a los 320 °C.
Para estudiar cómo se produce esta organización, el equipo combinó calorimetría, difracción de rayos X y microscopía electrónica. Los resultados muestran que, según la temperatura, las cadenas del polímero se ordenan de manera diferente y dan lugar a estructuras con distinta organización.
El estudio también permite comprender mejor por qué la cristalización es tan rápida. Los resultados indican que no se trata de un proceso en el que aparecen primero unos pocos cristales y después van creciendo. En estos polímeros, se forman muchos pequeños dominios ordenados prácticamente al mismo tiempo, lo que hace que el material se organice en una fracción de segundo.
En el caso del D18, las imágenes obtenidas mediante microscopía electrónica permiten observar estos pequeños dominios, con un tamaño medio de unos 40 nanómetros.
Una herramienta para comprender y mejorar la fabricación de células solares orgánicas
Los polímeros semiconductores estudiados presentan interés para aplicaciones como las células solares orgánicas, la electrónica flexible y otros dispositivos electrónicos. Las propiedades de estos materiales no dependen solo de su composición, sino también de cómo se organizan sus moléculas durante la fabricación.
Por eso, conocer qué ocurre durante la cristalización puede ayudar a relacionar las condiciones de procesado, como la temperatura o la velocidad de enfriamiento, con la estructura interna que finalmente adquiere el material y con sus propiedades.
«La forma en que se organiza el material durante la cristalización influye directamente en sus propiedades finales», explica Jaime Martín. «Poder medir este proceso mientras ocurre nos ayuda a comprender cómo se estructura el polímero y cómo podemos influir en esa organización durante su procesado».
El estudio proporciona así una nueva herramienta para la investigación y optimización de materiales semiconductores destinados a la electrónica orgánica y a los dispositivos fotovoltaicos. Aunque se trata de investigación básica, permite avanzar en el conocimiento de una etapa fundamental de su fabricación: cómo las condiciones de procesado determinan la organización interna del material.
El trabajo contó con la participación de personal investigador de la Universidade da Coruña; de la Université Grenoble Alpes, el Comisariado de la Energía Atómica y las Energías Alternativas (CEA), el Centro Nacional de Investigación Científica (CNRS) y Grenoble INP, en Francia; y del Catalan Institute of Nanoscience and Nanotechnology (ICN2). Además, los experimentos de difracción de rayos X se realizaron con la colaboración del sincrotrón ALBA.
Referencia del artículo: J. Tent-Pérez et al., Understanding the Ultrafast Crystallization Kinetics of Donor–Acceptor Semiconducting Polymers, Journal of the American Chemical Society (2026), 148, 35694–35704. DOI: https://doi.org/10.1021/jacs.6c07715
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